前列腺素D2受体1（DP1）的结构解析揭示其独特激活机制与药物设计新策略

本研究通过高分辨率冷冻电镜技术解析了人源前列腺素D2受体1（DP1）的五种状态结构，包括apo状态、两种反向激动剂结合状态以及两种Gs蛋白复合物激活状态。研究揭示了DP1独特的激活开关机制（K762.54构象转换）和非典型Helix 8取向，为开发选择性DP1调节剂治疗哮喘、过敏性炎症等疾病提供了关键结构基础。

　　

前列腺素D₂（PGD₂）作为免疫反应中的关键介质，通过激活G蛋白偶联受体DP1和DP2（CRTH2）调控过敏反应、睡眠调节和血管舒张等生理过程。尽管DP1是治疗哮喘和过敏性疾病的潜在靶点，但其选择性配体开发一直面临挑战，主要原因在于对受体激活机制和配体识别特性的理解不足。传统Class A GPCR的保守基序（如DRY、PIF和W6.48切换开关）在DP1中缺失，暗示其可能存在独特的激活路径。为了揭示这些机制，研究人员在《Nature Communications》发表了突破性研究，通过高分辨率结构生物学手段系统解析了DP1的多状态构象。

研究采用单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）技术，结合分子动力学（MD）模拟和功能实验，主要技术方法包括：1）构建DP1^ICL3bRIL融合蛋白稳定失活状态；2）使用抗bRIL Fab（BAG2）和纳米抗体作为冷冻电镜标记物；3）与Gs蛋白（Dominant-negative Gα_s）、Nb35形成复合物稳定激活状态；4）通过分子动力学模拟验证构象变化；5）采用ONE-GO G_s信号检测系统、cAMP GloSensor和β-arrestin2招募Tango assay进行功能验证。

Cryo-EM structures of DP1 in the inactive state

研究人员通过将ICL3替换为bRIL融合蛋白并引入C130^3.50R/H263^6.33A/D319^7.49N突变稳定失活状态，解析了apo状态和两种ONO Pharmaceutical开发的反向激动剂（ONO3030297和ONO2550289）结合状态结构（分辨率2.84-2.89 ?）。结构显示DP1配体结合口袋由ECL2和N末端通过两对二硫键（C105^3.25-C183^ECL2和C8-C178^ECL2）封闭，而TM1-TM7间隙可能成为脂质配体进出通道。独特的K76^2.54与D72^2.50形成盐桥，占据钠离子结合口袋，稳定失活状态。

Antagonist binding pocket

两种ONO反向激动剂结合于由TM1/2/3/7和ECL2形成的疏水口袋，其羧基与保守的R310^7.40形成盐桥。ONO3030297的环丙基与S19^Nterm相互作用，拓宽配体入口。分子动力学模拟证实了这些相互作用的稳定性。

Cryo-EM structures of DP1 in the active state

野生型DP1与DNG_s/Gβ₁/Gγ₂在昆虫细胞中共表达，与内源性激动剂PGD₂或其选择性衍生物BW245C及Nb35形成复合物，解析了2.68 ?和2.45 ?的激活状态结构。激活导致TM6胞质端外移约5 ?，TM7下移2 ?，胞内腔较其他G_s偶联受体更窄，使G_s异源三聚体旋转15-20°。

Agonist binding pocket

PGD₂和BW245C的羧基与R310^7.40形成盐桥，并与Y87^2.65/T181^ECL2形成氢键。BW245C的环己基团提供更紧密疏水相互作用，解释其更高效力。分子动力学模拟显示R310^7.40盐桥占主导（>95%时间），而Y87^2.65和T181^ECL2贡献较小。

Mechanism of DP1 activation

激动剂结合引发TM1向TM7移动4-5 ?，W182^ECL2构象变化导致L309^7.39下移。DP1缺乏经典W6.48切换开关（被S278^6.48取代）和PIF基序（被L212^5.50-T120^3.40-F274^6.44取代），但T214^5.52-L123^3.43-F274^6.44可能作为替代激活基序。关键激活开关K76^2.54从与D72^2.50结合转向与激动剂羰基/羟基相互作用，该构象变化需要D72^2.50质子化支持。D319^7.49N突变降低PGD₂效力，而K76^2.54A完全 abolish信号传导。

DP1-Gs interface

Gs的α5螺旋插入由L40^1.56/F61^2.42/Y62^2.43/V65^2.46/I32^4.54形成的疏水口袋。Y391^G.H5.23与R32^7.47形成氢键，R32^7.47A突变使PGD₂效力降低70倍，表明其对Gs招募的关键作用。

Distinct conformation of H8

DP1的H8朝向TM6而非经典TM1方向，由R32^7.47插入稳定。该构象通过D262^6.32与R33^8.52/R32^7.47（失活状态）或K337^8.57（激活状态）的盐桥稳定。功能实验显示R32^7.47A和R33^8.52A突变影响G蛋白和β-arrestin信号传导。

研究结论强调DP1具有不同于经典Class A GPCR的独特激活机制：1）K76^2.54作为核心激活开关替代钠离子功能；2）非典型H8取向通过特定盐桥网络稳定；3）配体识别依赖保守的R310^7.40/Y87^2.65/T181^ECL2网络；4）Gs耦合界面较窄导致异源三聚体旋转。这些发现不仅解释了DP1信号转导的特异性，还为开发哮喘、过敏性鼻炎、特应性皮炎和肺动脉高压的选择性治疗药物提供了精准结构模板。该研究填补了前列腺素受体家族最后的结构空白，对GPCR生物学和精准药物设计具有广泛意义。